信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換實時以太網(wǎng)適配時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求2023-05-23發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局I前言 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14縮略語 25概述 26網(wǎng)絡(luò)適配幀映射要求 46.1網(wǎng)絡(luò)適配數(shù)據(jù)流類型 46.2網(wǎng)絡(luò)適配幀結(jié)構(gòu) 46.3實時以太網(wǎng)適配數(shù)據(jù)流 56.4實時以太網(wǎng)幀映射 67網(wǎng)絡(luò)適配功能要求 67.1時鐘同步 67.2參考時間 77.3鏈路速度 77.4入口速率限制 77.5時間感知 77.6幀搶占 88網(wǎng)絡(luò)適配橋接要求 88.1優(yōu)先級隊列 88.2傳輸選擇算法 88.3門控調(diào)度機(jī)制 88.4保護(hù)帶 88.5轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù) 98.6網(wǎng)絡(luò)資源保護(hù) 9ⅢGB/T42561—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC28)提出并歸口。本文件起草單位：重慶郵電大學(xué)、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、重慶郵電大學(xué)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院、深圳賽西信息技術(shù)有限公司、江蘇賽西科技發(fā)展有限公司、北京東土科技股份有限公司、北京賽西科技發(fā)展有限責(zé)任公司、國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院、上海格麟倍科技發(fā)展有限公司、北京固源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司、工因特(重慶)科技有限公司、北京智芯微電子科技有限公司、安徽電信規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司、深圳市匯芯通信技術(shù)有限公司、研祥智能科技股份有限公司。本文件主要起草人：王浩、郭雄、王婷、黃旭煒、楊宏、卓蘭、薛百華、黃學(xué)達(dá)、劉洋、魏旻、黃慶卿、1GB/T42561—2023信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換實時以太網(wǎng)適配時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求1范圍本文件規(guī)定了實時以太網(wǎng)適配時間敏感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)適配幀映射要求、網(wǎng)絡(luò)適配功能要求和網(wǎng)絡(luò)適配橋接要求。本文件適用于需要確定性時延而又異構(gòu)互聯(lián)的時間敏感網(wǎng)絡(luò)工業(yè)應(yīng)用，用于指導(dǎo)實時以太網(wǎng)接入時間敏感網(wǎng)絡(luò)的適配幀設(shè)計、優(yōu)先級映射和時間同步等。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T15629.3信息技術(shù)系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第3部分：帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)的訪問方法和物理層規(guī)范GB/T42404信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)橋接局域網(wǎng)中時間敏感應(yīng)用的定時和同步ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第1Q部分：橋接和橋接網(wǎng)絡(luò)(Telecommunicationsandexchangebetweeninformationtech-nologysystems—Requirementsforlocalandmetropolitanareanetworks—Part1Q:Bridgesandbridgednetworks)3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。在局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層工作，通過網(wǎng)橋鏈接兩個或多個相似或者相同的局域網(wǎng)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的過程。注：包括MAC或VLAN等功能組件。時鐘源clocksource在時間敏感網(wǎng)絡(luò)域中提供標(biāo)準(zhǔn)時間的時鐘設(shè)備。符合GB/T15629.3的實時通信網(wǎng)絡(luò)。基于IEEE802.1TSN任務(wù)組制定的一整套數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議構(gòu)建的支持時間同步和確定性調(diào)度等機(jī)制的以太網(wǎng)。2在一個系統(tǒng)內(nèi)，各個子系統(tǒng)的時鐘所指示的時間點(diǎn)在任意時刻都是一致的，時間的變化、更新也是一致的。下列縮略語適用于本文件。DEI可丟棄標(biāo)識(dropeligibleindicator)EPA工廠自動化以太網(wǎng)(ethernetforplantautomation)EPL高速工業(yè)以太網(wǎng)(ethernetpowerlink)EMAC快速式媒體訪問控制(expressmediaaccesscontrol)ID序列號(identity)MAC媒體訪問控制(mediaaccesscontrol)PCP優(yōu)先級數(shù)值(prioritycodepoint)PMAC搶占式媒體訪問控制(preemptiblemediaaccesscontrol)SERCOS串行實時通信協(xié)議(serialrealtimecommunicationspecification)TCnet時間關(guān)鍵控制網(wǎng)絡(luò)(time-criticalcontrolnetwork)TPID標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識符(tagprotocolidentifier)TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)(timesensitivenetwork)VLAN虛擬局域網(wǎng)(virtuallocalareanetwork)VID虛擬局域網(wǎng)標(biāo)識符(VLANidentifier)5概述實時以太網(wǎng)設(shè)備通過適配設(shè)備與支持時間敏感傳輸機(jī)制的橋接設(shè)備連接。時間敏感網(wǎng)絡(luò)域能對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，劃分區(qū)域可以交叉重疊，單個設(shè)備可以屬于多個域。未適配的實時以太網(wǎng)設(shè)備不屬于時間敏感網(wǎng)絡(luò)域定義范疇。時間敏感網(wǎng)絡(luò)域僅限于數(shù)據(jù)鏈路層，由網(wǎng)絡(luò)管理引擎進(jìn)行維護(hù)。適配網(wǎng)絡(luò)采用時間敏感網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行傳輸，適配幀在GB/T15629.3規(guī)定的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中添加4字節(jié)的標(biāo)簽，適配設(shè)備在發(fā)送/接收橋接設(shè)備數(shù)據(jù)幀時添加/刪除符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020的標(biāo)簽。實時以太網(wǎng)適配時間敏感網(wǎng)絡(luò)是將不同協(xié)議的實時以太網(wǎng)連接到時間敏感網(wǎng)絡(luò)中，實時以太網(wǎng)域中的組件(包括網(wǎng)段、系統(tǒng)、控制器、現(xiàn)場設(shè)備等)在時間敏感網(wǎng)絡(luò)中具備低時延、低抖動和高可靠特性。適配架構(gòu)見圖1,實時以太網(wǎng)域中的輸入輸出設(shè)備、控制器和無線終端設(shè)備為實時以太網(wǎng)相關(guān)設(shè)備。時間敏感網(wǎng)絡(luò)域在橋接設(shè)備接口上提供若干邏輯通信信道，用于連接適配設(shè)備建立通信服務(wù)。3GB/T42561—2023橋接設(shè)備橋接設(shè)備TSN終端橋接設(shè)備橋接設(shè)備時間敏感網(wǎng)絡(luò)域輸入/輸山設(shè)備實時以太網(wǎng)域無線終端設(shè)備適配設(shè)備適配設(shè)備適配設(shè)備控制器圖1適配架構(gòu)適配設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2,適配設(shè)備具備兩個或兩個以上端口，對發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀具有添加或刪除標(biāo)簽功能，并具備應(yīng)用配置管理、隊列管理端口和入流過濾的功能。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過入流過濾后進(jìn)入優(yōu)先級隊列，每個網(wǎng)絡(luò)端口可同時配置PMAC和EMAC,EMAC適配幀可搶占PMAC適配幀。適配設(shè)備應(yīng)用配置管理應(yīng)用配置管理隊列管理端π入流過濾優(yōu)先級隊列優(yōu)先級隊列物理層適配端口2適配端口1物理層圖2適配設(shè)備結(jié)構(gòu)46網(wǎng)絡(luò)適配幀映射要求6.1網(wǎng)絡(luò)適配數(shù)據(jù)流類型適配設(shè)備支持八種適配數(shù)據(jù)流類型，適配數(shù)據(jù)流類型見表1。表1適配數(shù)據(jù)流類型序號數(shù)據(jù)流類型周期/非周期說明1盡力而為流非周期指盡最大的可能性來發(fā)送報文，但對時延、丟包率和帶寬等性能不提供任何保證的數(shù)據(jù)流類型2音頻/視頻周期指端點(diǎn)之間的音頻或視頻數(shù)據(jù)流的傳輸，對時延、丟包率和帶寬要求很低的數(shù)據(jù)流類型3本地透傳非周期負(fù)責(zé)將傳輸?shù)膬?nèi)容由源地址傳輸?shù)侥康牡刂罚粚?shù)據(jù)內(nèi)容做任何改變，對丟包率有要求，但對時延、帶寬要求較低的數(shù)據(jù)流類型4配置/診斷非周期用于傳輸配置和診斷數(shù)據(jù)，對帶寬、丟包率和時延有一定要求的數(shù)據(jù)流類型5警告/事件非周期當(dāng)輸入或輸出變量發(fā)生更改時，將生成警告/事件消息，對時延、丟包率有一定要求的數(shù)據(jù)流類型6周期周期包括設(shè)備之間的循環(huán)/周期通信，對時延、丟包率要求較高的數(shù)據(jù)流類型7關(guān)鍵應(yīng)用(同步)周期用于將每個設(shè)備中的應(yīng)用程序都同步到一個共同的時間，對時延、丟包率要求高的數(shù)據(jù)流類型8網(wǎng)絡(luò)控制非周期包含網(wǎng)絡(luò)控制消息，消息量小，但有關(guān)鍵的交付要求；對帶寬和丟包率要求高的數(shù)據(jù)流類型6.2網(wǎng)絡(luò)適配幀結(jié)構(gòu)適配幀在以太網(wǎng)幀中添加ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020中規(guī)定的4字節(jié)標(biāo)簽，標(biāo)簽位于以太網(wǎng)幀的源MAC地址和協(xié)議類型之間，應(yīng)符合以下要求：a)MAC目的地址長度為6個字節(jié)，與VID共同確定唯一的流路徑；b)TPID長度為2個字節(jié)，其值是0x8100;c)PCP長度為3位，其值為0～7的整數(shù)，表示實時以太網(wǎng)幀映射后數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級，適配設(shè)備根據(jù)該值進(jìn)行隊列選擇；d)DEI長度為1位，其值為0或1,表示幀在擁塞的情況下是否允許丟棄的標(biāo)識；e)VID長度為12位，指明VLAN的ID值；f)協(xié)議類型字段長度為2字節(jié)，表示使用的實時以太網(wǎng)協(xié)議類型。不同協(xié)議類型字段對應(yīng)的實時以太網(wǎng)協(xié)議類型見表2;g)幀的其余部分應(yīng)按原有實時以太網(wǎng)協(xié)議定義。5表2實時以太網(wǎng)協(xié)議類型協(xié)議類型字段實時以太網(wǎng)協(xié)議0x88BC0x88AB0x8100802.1Q0x8892PROFINET0x88CDSERCOS0x88A4EtherCAT0x888BTCnet預(yù)留未定義6.3實時以太網(wǎng)適配數(shù)據(jù)流實時以太網(wǎng)適配數(shù)據(jù)流符合以下要求。a)為發(fā)送者到接收者的單向數(shù)據(jù)流。兩個實時以太網(wǎng)設(shè)備雙向通信時，適配設(shè)備應(yīng)分別設(shè)置兩個適配數(shù)據(jù)流。b)在時間敏感網(wǎng)絡(luò)調(diào)度周期中可重復(fù)發(fā)送。c)添加的標(biāo)簽應(yīng)符合ISO/IEC/IEEE8802-1Q:2020,并具有實時以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)負(fù)載。實時以太網(wǎng)適配數(shù)據(jù)使用特定PCP表示數(shù)據(jù)流中實時以太網(wǎng)幀類型，并定義其傳輸方式，使用VID和目的MAC地址來標(biāo)識數(shù)據(jù)流路徑。一次雙向?qū)崟r以太網(wǎng)通信涉及的兩個適配數(shù)據(jù)流適配過程見圖3,圖3中數(shù)據(jù)流從控制器到現(xiàn)場設(shè)備再到控制器，適配設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)流VID與PCP的重新映射?，F(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送者適配設(shè)備TSN交換機(jī)接收省操作處理控制器發(fā)送者接收者圖3雙向適配數(shù)據(jù)流適配過程66.4實時以太網(wǎng)幀映射適配幀映射指本地網(wǎng)絡(luò)適配設(shè)備對不同類型的實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級映射。適配幀映射可采用以下兩種映射方式，每種映射方式可包含多個優(yōu)先級。a)適配設(shè)備接收其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域的實時以太網(wǎng)幀時，賦予該實時以太網(wǎng)幀一個新的優(yōu)先級。為避免來自其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域的數(shù)據(jù)幀阻礙本時間敏感網(wǎng)絡(luò)域數(shù)據(jù)幀的傳輸，其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級不應(yīng)高于本時間敏感網(wǎng)絡(luò)域數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級。映射的優(yōu)先級見表3。表3適配幀的映射(其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域的實時以太網(wǎng))源幀優(yōu)先級幀映射優(yōu)先級0012343567b)適配設(shè)備接收不支持VLAN協(xié)議的實時以太網(wǎng)幀時，應(yīng)賦予該實時以太網(wǎng)幀一個優(yōu)先級，映射的優(yōu)先級見表4,適配設(shè)備將實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀回傳至其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域時應(yīng)將映射的優(yōu)先級還原。表4適配幀的映射(不支持VLAN協(xié)議的實時以太網(wǎng))實時以太網(wǎng)幀類型映射優(yōu)先級盡力而為流0音頻/視頻1本地透傳2配置/診斷3警告/事件4周期5關(guān)鍵應(yīng)用(同步)6網(wǎng)絡(luò)控制77網(wǎng)絡(luò)適配功能要求7.1時鐘同步適配設(shè)備應(yīng)同步兩種時鐘。第一種時鐘為國際標(biāo)準(zhǔn)時鐘；第二種時鐘為本地時鐘，在國際標(biāo)準(zhǔn)時鐘7丟失或未啟用時使用，任意設(shè)備的本地時鐘應(yīng)與所在域中所有設(shè)備之間進(jìn)行同步。時鐘同步由充當(dāng)時鐘源的設(shè)備發(fā)起，并且兩種時鐘運(yùn)行原理相同。適配設(shè)備周期性地(如每秒)發(fā)送請求和響應(yīng)幀來確定鏈路時延以及時間信息。原時鐘源丟失時，下一個設(shè)備的本地時鐘作為時鐘源，直到原時鐘源可用為止。所有設(shè)備與主時鐘的最長路徑不超過7個中繼段，與主時鐘的時鐘偏差不超過1μs。7.2參考時間實時以太網(wǎng)具有控制器到現(xiàn)場設(shè)備的雙向控制回路，適配設(shè)備對控制回路中周期和同步類型數(shù)據(jù)的參考時間符合以下要求：a)同步類型應(yīng)參考網(wǎng)絡(luò)同步的時間進(jìn)行發(fā)送，流量端到端時延小于循環(huán)周期；b)周期類型可參考本地時間固定間隔發(fā)送，根據(jù)應(yīng)用程序的定期執(zhí)行，流量端到端時延是一個或多個循環(huán)周期。7.3鏈路速度適配設(shè)備應(yīng)根據(jù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中鏈路速度進(jìn)行適配，可適配范圍應(yīng)為10Mbit/s～10Gbit/s。整個部分連接以較低的鏈路速度為整個連接最大的鏈路速度，兩個單獨(dú)的鏈路速度限制見圖4,適配設(shè)備A通過橋接設(shè)備A和橋接設(shè)備B與適配設(shè)備B相連，其最大可用帶寬為1Gbit/s,適配設(shè)備A通過橋接設(shè)備A、橋接設(shè)備B和橋接設(shè)備C與適配設(shè)備C相連，其最大可用帶寬為10Mbit/s。適配設(shè)備B適配設(shè)備A橋接設(shè)備A橋接設(shè)備B橋接設(shè)備C適配設(shè)備CTSN終端TSN終端設(shè)備設(shè)備圖4適配鏈路速度限制7.4入口速率限制入口速率限制用于保護(hù)適配設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)資源，為適配的單播、多播或廣播幀配置最大帶寬，也可當(dāng)作數(shù)據(jù)突發(fā)時的斷路器。包括以下要求：a)不應(yīng)限制網(wǎng)絡(luò)控制類型幀的傳輸；b)連接其他時間敏感網(wǎng)絡(luò)域的設(shè)備時，應(yīng)充當(dāng)邊界控制；c)為防止適配設(shè)備資源過載，入口速率應(yīng)限制在出口速率以內(nèi)。7.5時間感知時間敏感網(wǎng)絡(luò)橋接服務(wù)應(yīng)具備時間感知功能，能夠計算何時發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)定的適配幀，并計算其傳輸時間，時間基準(zhǔn)應(yīng)符合GB/T42404進(jìn)行時間同步。8時間敏感網(wǎng)絡(luò)橋接服務(wù)應(yīng)根據(jù)時間感知計算適配幀的傳輸時間，如傳輸時間不符合指定時隙時被擱置到下一個傳輸時隙，或被劃分成多個切片幀分別進(jìn)行傳輸，最后由支持幀搶占的接收設(shè)備重組。發(fā)送或接收切片幀的設(shè)備應(yīng)支持幀搶占功能。所有鏈路速度下，同步和網(wǎng)絡(luò)控制類型適配幀都可使用幀搶占。周期類型幀可以在10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s帶寬下發(fā)生搶占，并與門控調(diào)度功能結(jié)合使用；也可在無同步類型的通信時，在10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s帶寬下發(fā)生搶占。具備搶占特征的適配幀可中斷切片幀由EMAC優(yōu)先發(fā)送。8網(wǎng)絡(luò)適配橋接要求8.1優(yōu)先級隊列時間敏感網(wǎng)絡(luò)橋接服務(wù)應(yīng)根據(jù)適配幀PCP值分配不同的優(yōu)先級隊列。包括以下要求：a)橋接設(shè)備出口處隊列不足時可多個優(yōu)先級合并為一個隊列；b)每個隊列應(yīng)配置是否能夠中斷其他隊列的傳輸(幀搶占);c)每個隊列的資源都應(yīng)受到保護(hù)，并且互不占用其他隊列資源；d)每個隊列應(yīng)使用傳輸選擇算法。8.2傳輸選擇算法傳輸選擇算法應(yīng)根據(jù)特定算法標(biāo)準(zhǔn)決定其中一個隊列發(fā)送下一幀，可以通過基于隊列的優(yōu)先級、信用或剩余數(shù)據(jù)量作為參數(shù)。每個隊列應(yīng)配置兩種標(biāo)準(zhǔn)算法。a)嚴(yán)格優(yōu)先級：必選算法。選擇最高優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。不同的鏈路速度都應(yīng)使用嚴(yán)格優(yōu)先級算法。b)基于信用的整形：可選算法，即設(shè)置每個隊列信用值，隊列中含有幀并且信用值為零或正數(shù)時，就可以發(fā)送幀；隊列中不含有幀時，則信用值設(shè)置為零。信用值在幀傳輸期間消耗，并在無傳輸期間累積。應(yīng)配置每個隊列消耗和積累信用值的比率。8.3門控調(diào)度機(jī)制時間敏感網(wǎng)絡(luò)橋接服務(wù)應(yīng)具備門控調(diào)度